Podstawy mechatroniki

RYSZARD MARKIEWICZ

PODSTAWY MECHATRONIKI – ISTOTA MECHATRONIKI

SPIS TRE CI L.P.

TYTUŁ

str.

SPIS TRE CI

1

WST P

2

1. Poj cia podstawowe mechatroniki 1.1. Definicja mechatroniki 1.2. Rozwój i cele mechatroniki

3 3 4

2. Urz dzenia mechatroniczne 2.1. Urz dzenia powszechnego u ytku 2.2. Budowa modułowa urz dze mechatronicznych

8 8 12

3.

3.1.

3.2.

3.3.

3.4.

Systemy mechatroniczne Poj cie systemu Czujniki Elementy wykonawcze Procesy sterowania

14 14 16 17 21

4.

4.1.

4.2.

4.3.

Robotyka Współczesne roboty przemysłowe Realizacja ruchów mechanizmów robotów Linia produkcyjna

24 25 26 28

2

ISTOTA MECHATRONIKI

WST P Druga połowa XX w – w jednej z niewielkich Japo skich firm powstaje aparat małoobrazkowy o zautomatyzowanych funkcjach ustawiania parametrów ekspozycji zdj . Wła ciwie nic szczególnego – po prostu jeszcze jeden z produktów nowoczesnej techniki - fuzji znanych dziedzin mechaniki precyzyjnej, elektrotechniki i elektroniki oraz programu steruj cego automatyk .

Wła ciwie nic szczególnego – urz d patentowy i zastrze enie nazwy nowego typu konstrukcji. Zaistniał termin - MECHATRONIKA. Nie tylko zaistniał.

Termin ten na trwałe wkroczył do współczesnej techniki.

Definicja mechatroniki nie jest wcale tak oczywista. Mówienie o fuzji trzech dziedzin wiedzy jest znacznym uproszczeniem i nie oddaje ono sensu technicznego oraz zasady działania konstrukcji, których dotyczy.

Mechatronika to całkiem nowy model pracy układu mechanicznego. Istnieje wzajemne oddziaływanie pomi dzy cz ci mechaniczn , elektryczn oraz programami steruj cymi. To wzajemne oddziaływanie wpływa na typ rozwi za w ka dej z omawianych dziedzin. Konstrukcje mechatroniczne s modelowane w przestrzeni programu. W oparciu o ten model dokonywane s korekty elementów konstrukcji mechatronicznych oraz tworzone programy steruj ce i reguluj ce ich prac .

Wprowadzenie specjalno ci mechatronika do szkół rednich wymaga wcze niejszego stworzenia bazy informacyjnej o poj ciach i terminach, dotycz cych zarówno mechaniki jak te elektrotechniki i elektroniki oraz sposobów przetwarzania informacji.

Przedmiot mechatronika obejmuje trzy du e dziedziny nauki i tak wła nie został podzielony podr cznik.

Ka da z cz ci stanowi niezale ny moduł, lecz równocze nie w ka dej z nich pokazano punkty styku i wzajemnego oddziaływania . Efektem tych oddziaływa s rozwi zania mog ce zaistnie tylko w konstrukcjach okre lanych mianem mechatroniczne.

Mechatronika staje si powoli wizytówk XXI w i dla tego tak wa ne jest wdro enie jej do programów edukacyjnych ju na poziomie szkół rednich.

ISTOTA MECHATRONIKI

3

1. POJ CIA PODSTAWOWE MECHATRONIKI 1.1.Definicja mechatroniki Pojecie „mechatronika” stanowi poł czenie dwóch słów - mechanika i elektronika. Termin ten został stworzony w firmie Japo skiej w 1969r, jako nazwa handlowa. Pocz tkowo uto samiano z nim konstrukcje mechaniki precyzyjnej, uzupełniane przez elektronik ( np. konstrukcje współczesnych aparatów fotograficznych).

mechanika

aktoryka sensoryka

elektrotechnika elektronika

mechatronika technika obliczeniowa

modelowanie informatyka

Rys.1 Elementy składowe mechatroniki Dzi „mechatronika „ stanowi dziedzin wiedzy in ynierskiej opart o klasyczne dyscypliny nauki, takie jak mechanika, elektronika i informatyka. Jej celem jest poprawienie funkcjonalno ci systemów technicznych oraz zakresu ich stosowania.

Współczesne systemy mechatroniczne próbuj na ladowa proste układy biologiczne, zwłaszcza w zakresie reagowania na zakłócenia zewn trzne, wyst puj ce podczas realizacji programów ich działania.

Typowe, wybrane definicje mechatroniki próbuj uj ró ne aspekty jej zastosowa np.: - Typowy system mechatroniczny rejestruje sygnały, porównuje z programem steruj cym i przetwarza, na przykład w siły i ruchy.

- Mechatronika to synergiczne poł czenie dyscyplin mechanicznych i elektrycznych w nowoczesnych pracach konstrukcyjnych.

- Jest ona nowym poj ciem w konstruowaniu systemów, urz dze i produktów, ukierunkowanym na osi gni cie optymalnej równowagi mi dzy podstawow struktur mechaniczn i jej całkowitym sterowaniem - Mechatronika stanowi integracj in ynierii mechanicznej z elektronik oraz inteligentnym sterowaniem komputerowym w konstruowaniu i wytwarzaniu produktów i procesów.

ISTOTA MECHATRONIKI

4

Z powy szych definicji wynika, e mechatronika ma charakter interdyscyplinarny. W zakresie podstawowych dziedzin obejmuje: - mechanik ( mechanik techniczn , budow maszyn, mechanik precyzyjn ) - elektrotechnik i elektronik (mikroelektronik , technik pomiarów, aktoryk ) - informatyk ( teori systemów, przetwarzanie danych, sztuczn inteligencj , programowanie układów logicznych)) Poł czenie wymienionych dziedzin wiedzy ma charakter synergiczny. Oznacza to, e powstaje nowy zakres i sposób zastosowa zawartej w nich wiedzy, pozwalaj cy na całkiem now klas rozwi za problemów technicznych.

1.2. Rozwój i cele mechatroniki Konstrukcje mechatroniczne s produktem ewolucji obiektów mechanicznych.

Pocz tek tej drogi si ga pierwszych zastosowa maszyn prostych i towarzyszy człowiekowi od najdawniejszych czasów. W miar wzrostu komplikacji maszyn oraz w miar pozyskiwania nowych ródeł energii rósł poziom zło ono ci konstruowanych mechanizmów. Dla zrealizowania rosn cych wymaga nale ało wprowadza coraz precyzyjniejsze metody wytwarzania i monta u maszyn. Znane s konstrukcje mechanizmów wzorowanych na elementach zegarów: mechaniczny szachista, pierwsze ruchome zabawki, elementy sterowania silników i linii technologicznych. Obserwacja przyrody, nawet w jej najprostszych przejawach, dostarczała wci wzorów do na ladowania, zarówno w zakresie rozwi za konstrukcyjnych jak te teorii sterowania i obróbki informacji.

Mechanika - to dziedzina nauki zajmuj ca si badaniem i opisem ruchu ciał oraz badaniem sił jako przyczyny ruchu

Badania podstawowe

Zastosowania techniczne Rys.2

ISTOTA MECHATRONIKI

5

W momencie opanowania energii elektrycznej nast pił skok w dziedzinie zbierania i obróbki informacji o procesach, zachodz cych w otoczeniu, oraz w układach mechanicznych. Rozwój pocz tkowo elektrotechniki a nast pnie elektroniki stał si podstaw do powstania nowej dziedziny obróbki informacji i realizacji procesów sterowania – powstała informatyka. Powstała mo liwo modelowania całych procesów. .

Aktywne sterowanie procesem

modelowanie

Zastosowanie sprz enia zwrotnego

regulacja

Programowanie ruchu

sterowanie

Mechanizmy Maszyny proste Rys.3 Pierwsze konstrukcje mechatroniczne stanowiły układ hybrydowy, w którym zacz to stosowa elektroniczne układy steruj ce, zaopatrzone w prosty układ czujników stanu. W miar rozwoju elektroniki układy steruj ce zacz ły obejmowa coraz szerszy zakres parametrów i mo liwych do realizacji punktów steruj cych. Rozwi zania programowe zacz ły wymusza i zarazem umo liwia stosowanie całkowicie nowych rozwi za mechanicznych – konstrukcja mechanizmów stała si l ejsza i ta sza. Współczesne obiekty mechatroniczne zaczynaj si upodabnia do systemów biologicznych. Podobnie jak one reaguj na zakłócenia a nawet potrafi , w zakresie swojego oprogramowania, podejmowa samodzielne decyzje. Konstrukcje i systemy mechatroniczne odgrywaj coraz wi ksz rol we współczesnym wiecie. To przecie nie tylko automatyczne linie produkcyjne czy te inteligentne roboty przemysłowe.

6

ISTOTA MECHATRONIKI

Powszechnie s stosowane zarówno w samochodach, samolotach jak te w sprz cie gospodarstwa domowego, telefonie, kamerze czy te zabawce.

Coraz wi ksz rol odgrywaj w medycynie – zwłaszcza w produkcji nowoczesnych i coraz doskonalszych protez, zast puj cych organy biologiczne takie jak słuch, wzrok, protezy ko czyn a nawet sztuczne serce czy nerki.

MECHATRONIKA

Rys.4 Elementy systemu mechatronicznego zawieraj wszystkie składniki niezb dne do realizacji programu działania, nawet przy zmiennych warunkach otoczenia.

Jest to cecha charakterystyczna dla systemów biologicznych.

Obydwa systemy ró ni si nadal poziomem zło ono ci reakcji - jednak wyst puj analogie. Dotycz one funkcji układów sensorycznych i aktorycznych oraz realizacji procesów sterowania i regulacji

ISTOTA MECHATRONIKI

7

procesor sensory

sensory

aktory ródło energii OBIEKT MECHANICZNY

procesor sensory sensory ródło energii

aktory

OBIEKT BIOLOGICZNY Rys.5

ISTOTA MECHATRONIKI

8

2.URZ DZENIA MECHATRONICZNE Urz dzenie mechatroniczne jest to system programowalny i samosterowny realizuj cy funkcje u ytkowe, do których został stworzony.

Taka bardzo unaukowiona definicja dotyczy szeregu maszyn i urz dze z naszego otoczenia, z których korzystamy na co dzie , bez wnikania jaka jest ich konstrukcja i jak wła ciwie działaj .

Urz dzenia mechatroniczne to zarówno współczesny sprz t gospodarstwa domowego, jak te samochód czy układ klimatyzacji mieszkania, komputer, aparat fotograficzny.

Nazwa „system” została u yta celowo, poniewa nie musi to by koniecznie produkt mechaniczny. Funkcje samosterowno ci i programowanego działania mog by realizowane przez dowolne urz dzenie elektryczne lub elektroniczne.

Poni ej podane zostan przykłady z naszego otoczenia tego najbli szego jak te tego na ogół niedost pnego - współczesnej linii produkcyjnej.

2.1.Urz dzenia powszechnego u ytku Mówi c o urz dzeniach mechatronicznych powinni my cofn si do lat 50, kiedy zaistniał termin „mechatroniczny”, jako opis układu automatycznego aparatu małoobrazkowego. Dosy skomplikowane funkcje i sposób w jaki je realizował, pozwoliły na otrzymanie nowego typu konstrukcji. Współczesny sprz t fotograficzny, zarówno ten klasyczny jak te cyfrowy, to typowy przykład rozwoju produktów mechatroniki.

Automatyczne ustawianie ostro ci, w oparciu o dowolny wybrany obiekt, dozowanie o wietlenia lamp błyskow , dobór parametrów do typu fotografii, ustawianie czasu i przesłony, w zale no ci od wybranego programu i warunków zewn trznych, to tylko niektóre z oferowanych przez nie funkcji.

Rys.6 Do wiadczenia z konstrukcji układów automatycznych aparatów zostały zaadaptowane w konstrukcji współczesnych kamer i aparatów cyfrowych.

Rys.7

ISTOTA MECHATRONIKI

9

Podobnie jak sprz t fotograficzny produkty mechatroniczne wkroczyły do gospodarstwa domowego. Ka dy z nas korzysta z pralki automatycznej.

Wybór programu stał si oczywist czynno ci , a przecie towarzysz mu okre lone funkcje, realizowane przez pralk .

Pralka potrafi sama dozowa wod , wył cza i wł cza grzałk , ale równie dopasowywa obroty wirowania do obci enia b bna, a nawet rozkłada wirowane rzeczy na obwodzie b bna, tak by nie powodowa jego nadmiernych drga .

Wiemy równie , e w przypadku awarii nasze, nawet zaawansowane, umiej tno ci techniczne s zazwyczaj niewystarczaj ce do ewentualnej naprawy. Zagl daj c do rodka, o ile potrafimy sforsowa niewidoczne zamki, mo emy dostrzec Rys.8 nie tylko cz ci mechaniczne, ale równie wi zki przewodów elektrycznych, czujniki, oraz elektroniczny blok steruj cy – wszystko to, co pozwala na takie wła nie jej działanie.

Innym z przykładów jest sprz t kuchenny.

Robot wieloczynno ciowy, ekspres do kawy, kuchenka mikrofalowa a nawet płyta kuchenna, to znowu sprz t programowalny i w jakim stopniu obdarzony zdolno ci analizowania zmieniaj cych si warunków zewn trznych.

Cech współczesnych produktów jest nie tylko ich u ytkowo , ale równie forma plastyczna.

Tworzywa sztuczne, aluminium, szkło podstawowym materiałem organiczne, s Rys.9 konstrukcyjnym.

Uwaga o niewidocznych zamkach, uniemo liwiaj cych demonta obudowy, jest całkowicie uzasadniona, równie w stosunku do wszystkich tych urz dze .

Po za kuchni mechatronika wkroczyła do konstrukcji sprz tu audiowizualnego oraz komputera. Ta grupa urz dze zawiera przecie precyzyjne mechanizmy odtwarzaczy i nagrywarek laserowych, układy dopasowuj ce i przeszukuj ce stacje nadawcze zgodnie z zało onymi parametrami wybranego programu.

Rys.10

ISTOTA MECHATRONIKI

10

Ostatni z omawianych grup s urz dzenia transportowe.

Chodzi tu głównie o samochody oraz sprz t lotniczy.

Współczesny samochód to komputer steruj cy: - wtryskiem paliwa - moc silnika i optymalnym zu yciem paliwa - bezpiecznym hamowaniem (ABS) - bezpiecznym cofaniem (czujnik ultrad wi kowy) - nawigacj samochodu (mapa z poł czeniem GPS) a nawet odmow uruchomienia dla kierowcy nietrze wego.

Współczesny samolot to całkowicie zmieniony wygl d kokpitu i tablicy przyrz dów. Szereg czynno ci zostało zautomatyzowane, a o zagro eniach informuje układ czujników i program steruj cy komputera pokładowego oraz monitory, zamiast klasycznych przyrz dów pokładowych.

Rys.11

Współczesny samolot to bezpieczny lot w trudnych warunkach, automatyczny pilota na zadanym pułapie.

To zautomatyzowane procedury zwi zane z fazami lotu, jego rejestracj i nawigacj .

We wszystkich tych układach mo emy spotka elementy systemów mechatronicznych.

Rys.12

ISTOTA MECHATRONIKI

11

Pocz tkowo niezale ne dziedziny techniki - automatyka i robotyka zbli yły si do mechatroniki, obdarzaj c swoje wyroby du o wi ksz samodzielno ci .

W wyniku rozwoju robotyki jej produkty otrzymały niezale no ruchow – powstały konstrukcje samojezdne lub samo przemieszczaj ce si .

Efektem tych prac stały si roboty inteligentne do prac saperskich, do poszukiwa na ziemi i w powietrzu, a nawet eksploracji innych planet.

Rys.13 Robot samojezdny

Rys.14 Robot eksplorator

Robotyka zaadaptowała z mechatroniki wi kszo jej osi gni .

Ze wzgl du na specyfik zastosowa , oraz cz badawcz , zwi zan z opisem ruchów realizowanych przez mechanizmy robotów, stanowi jednak w dalszym ci gu wydzielon dziedzin techniki.

Rys.16 Robot krocz cy Rys.16 Robot samolot Celem robotów jest zrealizowanie sterowanego ruchu w celu wykonania zaprogramowanej czynno ci.

Efektem zastosowa robotyki stały si współczesne roboty przemysłowe, które wraz z automatyczn lini produkcyjn , oraz jej sterowaniem, tworz rozbudowany system mechatroniczny.

ISTOTA MECHATRONIKI

12

2.2.Budowa modułowa urz dze mechatronicznych Modułem – nazywamy zbiór elementów, wydzielony konstrukcyjnie i funkcjonalnie z obiektu, przeznaczony do realizacji okre lonego zadania.

Modułowo stanowi w chwili obecnej jedn z podstawowych zasad konstrukcyjnych w projektowaniu i wykonawstwie nowych wyrobów.

Zapewnia nam prosty monta i demonta wyrobu (zasada klocków), co ma znaczenie głównie w pracach konserwacyjno remontowych, oraz w systemach konstrukcyjnych, pozwalaj cych na zestawianie produktów o ró nych konfiguracjach działania. Przykładem modułowej budowy jest np.: - sprz t komputerowy - układy pneumatyki - konstrukcje budowlane - elementy automatyki - nap dy konstrukcji mechanicznych - typowe elementy konstrukcji mechanicznych Rys.17 Przejawem modułowo ci s typoszeregi wymiarowe oferowanych produktów u ytkowych i przemysłowych NAP D

UKŁAD WYKONAWCZY

UKŁAD STERUJ CY

Obiekt zestawiony z modułów

CZUJNIK Rys.18

UKŁAD WYKONAWCZY

NAP D

UKŁAD STERUJ CY

Moduły podstawowe Rys.19

CZUJNIK

ISTOTA MECHATRONIKI

13

Warunkiem wydzielenia modułów jest ich odr bno konstrukcyjna oraz zapewnienie łatwo ci i pewno ci wzajemnego monta u. Dla typoszeregów produktów staramy si zachowa : - podobne gabaryty modułów - typowe podł czenia czynników medialnych - typowe cz ci zł czne - łatwo okre lenia sprawno ci technicznej (pkt. pomiarowe) Stosowanie modułowej budowy powoduje: - obni enie kosztów wytwarzania (długie serie) - obni enie kosztów eksploatacji (na drodze wymiany elementów niesprawnych) - obni enie kosztów remontu urz dze (naprawa wykonywana po za urz dzeniem) Stosowanie modułowej budowy jest stosowane w konstrukcji systemów mechatronicznych, co pozwala Rys.20 na ich uproszczenie i obni k kosztów produkcji.

Modułowa budowa to nie tylko wyroby gotowe i podsystemy, lecz równie takie elementy jak magistrale sygnałów: - elektrycznych - pneumatycznych - hydraulicznych - kable elektroniczne - korpusy zabudowy typowych elementów.

Lokalizacja uszkodze typowego urz dzenia, o budowie modułowej, polega na realizacji kolejnych kroków, niezb dnych do zlokalizowania i okre lenia usterki.

Nale do nich: - okre lenie ilo ci i rodzaju modułów - okre lenie czynników medialnych - okre lenie funkcji odpowiedzialnej za niesprawno - okre lenie odpowiedzialnego modułu - znalezienie punktów pomiarowych - sprawdzenie parametrów - wymiana modułu Pokazana wy ej procedura jest niezb dna, zwłaszcza dla układów mechatronicznych o wysokim stopniu komplikacji i du ej Rys.21 ilo ci elementów składowych

ISTOTA MECHATRONIKI

14

3.SYSTEMY MECHATRONICZNE 3.1 Poj cie systemu Rozwi zania techniczne systemów mechatronicznych musz zakłada istnienie członów pomiarowych i nastawczych. Pozwala to na integracj systemu mechanicznego z układem analizuj cym jego prac i steruj cym jego ruchem.

Przy omawianiu konstrukcji mechatronicznych pojawia si pojecie systemu i procesu.

System – to nie tylko zbiór materialnych elementów, ale równie ich wzajemna konfiguracja oraz sposób przetwarzania informacji i realizacji sterowania.

Pod poj ciem procesu b dziemy rozumie przekształcenie i transport materii, energii oraz informacji. zakłócenie siły/momenty

ruchy

modelowanie

system mechaniczny wielko ci pomiarowe

wielko ci nastawcze Energia pomocnic

aktory

alarmy

sensory

sygnały

sygnały modelowanie

Rys.22

procesor

wielko ci prowadz ce

SYSTEM MECHATRONICZNY

Przedstawiony schemat stanowi model reakcji systemu mechatronicznego na zakłócenie zewn trzne. Pojawiaj si w nim elementy aktywne w postaci: - sensorów (przetwarzaj wielko ci pomiarowe w sygnały elektryczne) - aktorów ( realizuj ruchy i siły steruj ce układem mechanicznym) Wielko ciami pomiarowymi w systemach mechatronicznych s wielko ci: - elektryczne (pr d, napi cie, nat enie pola magnetycznego itd.)

ISTOTA MECHATRONIKI

15

- mechaniczne (droga, pr dko , przyspieszenie, siła, moment obrotowy, temperatura, ci nienie)

Nat enie pr du Napi cie pr du Pole magnetyczne

Droga - dko Pr Przy pieszenie Siła Moment Ci nienie

elektryczne

SENSORY mechaniczne Rys.23

Realizacja sygnałów steruj cych w aktorach odbywa si przy wykorzystaniu silników wykonawczych, zasilanych czynnikami energetycznymi.

- Pole elektro magnetyczne

elektryczne

AKTORY - Spr one powietrze - Ciecz

mechaniczne Rys.24

Sygnały otrzymywane z układu sensorów s porównywane z wielko ciami modelowymi i stanowi podstaw do wytworzenia w procesorze sygnałów steruj cych prac aktorów.

ISTOTA MECHATRONIKI

16

Najprostsz form reakcji na nieprawidłowo ci procesu jest jego zatrzymanie.

Przy bardziej skomplikowanych układach mechatronicznych mo liwa jest reakcja alternatywna, lub zmiana modelu, w ramach poprawnych wyników ko cowych (sztuczna inteligencja).

3.2. Czujniki (sensory) Zadaniem czujników jest zbieranie informacji ilo ciowej o postaci ruchów i sił na wyj ciu systemu mechatronicznego.

Jako podstaw oceny ilo ciowej stosowana jest zamiana mierzonych wielko ci w sygnały elektryczne.

Czujniki dzielone s w zale no ci od rodzaju zbieranej informacji: - czujniki drogi - czujniki pr dko ci - czujniki zbli eniowe - czujniki sił - czujniki przy piesze i sposobu jej przetwarzania: - przetworniki - czujniki zintegrowane - czujniki inteligentne Wielko elektryczna

PRZETWORNIK

przetwornik Analogowy sygnał pomiarowy

CZUJNIK ZINTEGROWANY

Elektronika opracowuj ca Sygnał wyj ciowy cyfrowy

Człon ADC

mikrokontroler

CZUJNIK INTELIGENTNY

Rys.25

Człon ADC przetwarza warto pomiarow analogow w sygnał cyfrowy.

Poł czenie z mikrokontrolerem pozwala na realizacj funkcji regulacji

ISTOTA MECHATRONIKI

17

3.3. Układy wykonawcze Układy wykonawcze (aktory) stanowi istotny element systemu mechatronicznego, umo liwiaj cy aktywn korekt jego parametrów wej ciowych. Zamykaj p tl sprz enia zwrotnego, utworzon przez układ ledz cy (sensory) oraz zaprogramowany układ logiczny (procesor) steruj cy prac systemu. zakłócenie energia

Układ podstawowy

energia Aktory

Sensory Procesor

Rys.26

System mechatroniczny

Jak wida z powy szego schematu elementy wykonawcze wykonuj prac , a wi c wymagaj dostarczenia energii niezb dnej do jej wykonania.

Drugim wa nym czynnikiem jest mo liwo sterowania nimi poprzez układ procesora.

Ze wzgl du na powy sze wymagania istniej ce rozwi zania obejmuj trzy podstawowe grupy: - silniki i siłowniki elektryczne (energia elektryczna) - silniki i siłowniki pneumatyczne (ci nienie gazu) - silniki i siłowniki hydrauliczne (ci nienie cieczy) W grupie silników i siłowników elektrycznych zastosowanie znalazły: - silniki krokowe obrotowe (umo liwiaj precyzyjny obrót o wielokrotno k ta podstawowego) - silniki krokowe liniowe (umo liwiaj precyzyjny ruch o wielokrotno przesuni cia podstawowego) - siłowniki elektromagnetyczne (umo liwiaj ruch na długo wysuwu rdzenia, wypychanego przez cewk elektryczn ) - nap dy elektryczne liniowe (s-k elektr.w poł czeniu z przekładni rubow umo liwiaj realizacj ruchu liniowego) W omawianej grupie najwa niejsz rol odgrywaj silniki krokowe obrotowe

ISTOTA MECHATRONIKI

18

i liniowe. Mo liwo precyzyjnego ruchu stanowi istotne narz dzie regulacji oraz bezpo redniego sterowania układów mechanicznych. Silniki te pozwalaj na realizacj stosunkowo du ych sił i momentów obrotowych; s jednak drogie ze wzgl du na układ elektroniczny, steruj cy ich prac .

Rys.27

Rys.28

Siłowniki elektromagnetyczne znajduj główne zastosowanie jako elementy steruj ce prac układów mechanicznych (sterowanie zaworami, sprz głami, przekładniami). Pozwalaj na realizacj sko czonego ruchu (wypychanie lub wci ganie rdzenia) steruj cego skrajnymi poło eniami regulowanego układu.

Siłownik elektromagnetyczny

Zawór elektromagnetyczny

Rys.30

Rys.29

Ostatnia z omawianych grup obejmuje nap dy elektryczne liniowe, bezpo rednio wykorzystywane do sterowania układami mechanicznymi.

Precyzja ruchu oraz mo liwo realizacji du ych sił wynika z zastosowania elementu po redniego, w postaci przekładni rubowej (zamiana ruchu obrotowego na liniowy). Du e przeło enie zapewnia mo liwo realizacji du ych sił w ruchu liniowym. Równocze nie, przeło enie pozwala na precyzj sterowania ruchem liniowym poprzez wł czanie i wył czanie silnika.

Rys.31

Rys.32

ISTOTA MECHATRONIKI

19

Silniki i siłowniki pneumatyczne stanowi jedn z najpowszechniej stosowanych grup elementów wykonawczych. Zwarta budowa, realizacja du ych sił, regulacja pr dko ci ruchu, proste sterowanie – to główne cechy elementów tej grupy. W ich pracy wykorzystywana jest energia spr onego powietrza, uzyskiwanego za po rednictwem spr arki. Stosunkowo niskie ci nienie pracy (6-7 bar) ułatwia ł czenie pomi dzy sob elementów instalacji.

Podstawowymi elementami wykonawczymi s siłowniki liniowe i obrotowe oraz silniki pneumatyczne. Elementy wykonawcze pneumatyczne znajduj zastosowanie nie tylko w systemach mechatronicznych ale równie jako nap d układów mechanicznych. Pneumatyczne wiertarki, szlifierki, klucze - to typowa grupa narz dzi stosowanych w przemy le i nap dzanych silnikami pneumatycznymi. Równie pneumatyczne siłowniki liniowe to podstawowy element nap dowy współczesnych automatycznych linii produkcyjnych.

Silniki

Siłowniki

Rys.33 Ostatnia grupa silników i siłowników hydraulicznych to równie nie tylko elementy steruj ce, ale przede wszystkim ródło nap du, pozwalaj ce na realizacj bardzo du ych sił w układach mechanicznych maszyn. Wyst puj tu elementy podobne do tych stosowanych w układach pneumatyki. Zmienia si jednak ich wielko , ci ar i konstrukcja podłacze . Czynnikiem roboczym w układach hydraulicznych jest ciecz pod ci nieniem 10-30MPa. Silniki i siłowniki hydrauliczne stosowane s w nap dach maszyn budowlanych i wydobywczych, w konstrukcjach jezdnych, ale równie jako elementy steruj ce, wymagaj ce du ych sił i precyzji ruchu.

Rys.34

ISTOTA MECHATRONIKI

20

1.1.Tabela porównawcza elementów wykonawczych L.P.

Typ elementu wykonawczego

1. S-k krokowy obr.

2. S-k krokowy lin.

3. Siłownik elektrom.

4. Nap d elektr. lin.

5. Siłownik pneumat.

6. Silnik pneumat.

7. Siłownik hydraul.

Czynnik energet.

Sterowanie Pr d stały 6V; 12V;24V Sterowanie elektroniczne

Realizowane ruchy Obrót k towy skokowy =0.720-900

Pr d stały 6V; 12V;24V Sterowanie elektroniczne

Przesuw liniowy skokowy x=0.060.5mm

Pr d stały 6V; 12V;24V Sterowanie napi ciowe

Do poło enia kra cowego 1-30mm

Pr d stały 6V; 12V;24V Sterowanie Mechaniczne(spr z gło)

Dowolne poło enie na prowadnicy 100-2000mm

Spr one powietrze p = 0.6MPa

Do poło enia kra cowego 1-200mm Regulacja pr dko ci ruchu

Realizowane silły

M=0.1 -100Ncm

1-100N

1-10N

Spr one powietrze p = 0.6MPa

Pr dko obrotowa 1000-30000 obr/min

Olej pod ci nieniem p =10-30MPa

Dowolne poło enie wysuwu 10-3000mm Regulacja pr dk. ruchu

1-1000N

1-2000N

Zastosowanie Precyzyjne sterowanie k towe regulatorów i małych mechanizmów

Precyzyjne sterowanie liniowe drobnych elementów automatyki

Jako element przeł czaj cy pomi dzy stanami skrajnymi (wł czniki, zawory)

Sterowanie liniowe rednio obci onych elementów automatyki

Sterowanie liniowe (skrajny ruch) rednio obci onych elementów automatyki

M=10 -200Nm

Nap d narz dzi pneumatycznych (wiertarki, młotki, szlifierki, klucze dynam.)

1000N -300000N

Nap d elementów wykonawczych maszyn bud. i obci onych mechanizmów.

ISTOTA MECHATRONIKI

21

3.4. Procesy sterowania Procesy sterowania dotycz systemów mechatronicznych, czyli wszystkich elementów obiektu mechanicznego oraz zwi zanych z nim sensorów i aktorów.

Systemy mechatroniczne s efektem ewolucji obiektów mechanicznych, pocz wszy od maszyn prostych i mechanizmów zło onych, przez układy sterowane mechanicznie, do zastosowania procesorów i systemów automatyki pomiarów i sterowania. Wa n rol w rozwoju systemów sterowania odegrało wynalezienie układu sprz enia zwrotnego. Jego mechanicznym rozwi zaniem jest regulator Watta zastosowany w silnikach parowych.

A

Układ mechaniczny

B

Je li B To A

Rys.35

Rys.36

Przedstawiony model regulatora pozwala na regulacj poziomu obrotów.

Przy wzro cie obrotów siła od rodkowa powoduje rozchylenie ci arków I, i podniesienie d wigni zaworu V, reguluj cego ci nienie pary. Przy wzro cie obrotów, ponad zało on warto , regulator powoduje spadek ci nienia pary i tym samym spadek obrotów. Podobnie przy spadku obrotów nast puje przymkni cie zaworu, wzrost ci nienia pary i wzrost obrotów.

ISTOTA MECHATRONIKI

22

Kolejnym krokiem stały si elementy krzywkowe steruj ce ruchem układów mechanicznych. Elementy krzywkowe, W poł czeniu z układem d wigniowym, pozwoliły na cykliczn realizacj dosy zło onych ruchów.

Poł czenie sterowania z mechanizmem sprz enia zwrotnego stało si punktem zwrotnym w dziedzinie regulacji i sterowania układami mechanicznymi.

Jest równie zacz tkiem procesów sterowania w systemach Rys.37 mechatronicznych.

Warunkiem sterowania systemami mechatronicznymi jest stworzenie programu odwzorowuj cego prac rzeczywistego układu i jego reakcje na zakłócenia.

Mo emy to zobrazowa poni szym schematem.

f(t)

y(t)

SYSTEM z(t)

Model teoretyczno do wiadczalny

do wiadczenieie

Sterowanie procesem

cele

Rys.38

ISTOTA MECHATRONIKI

23

Jak wida stworzenie modelu jest procesem zło onym i opiera si nie tylko na matematycznym opisie, ale równie na do wiadczeniach, pozwalaj cych wnie do niego odpowiednie współczynniki, zapewniaj ce zgodno z rzeczywistymi reakcjami systemu.

Rys.39

Rys.40

24

ISTOTA MECHATRONIKI

4.Robotyka Podobnie jak do naszego najbli szego otoczenia, mechatronika wkroczyła do procesu produkcyjnego współczesnych zakładów przemysłowych.

Proces produkcyjny, w wyniku ewolucji uległ automatyzacji - pojawiło si poj cie linii produkcyjnej. szereg powtarzalnych Pocz tkowo czynno ci, w poszczególnych miejscach linii, wykonywali pracownicy.

Monotonia, szkodliwo warunków pracy, zm czenie – to tylko niektóre z czynników, które stały si motorem Rys.41 poszukiwania innych rozwi za W miar rozwoju techniki i informatyki zacz to prowadzi prace, których celem stało si stworzenie programowalnych układów mechanicznych, mog cych wykonywa powtarzalne ruchy i czynno ci zwi zane z ich u ytecznym wykorzystaniem – powstały pierwsze roboty przemysłowe.. Prace nad ich udoskonalaniem i wdra aniem zacz to realizowa w nowo utworzonym dziale nauki i techniki nazwanym robotyk .

Robotyka to nie tylko budowa robotów, to równie teoria ich pracy i sterowania ruchem.

Efektem prac nad robotami stały si współczesne roboty je przemysłowe.

Mo emy znale w spawalni, na linii monta owej, w obsłudze gniazd produkcyjnych i obrabiarek.

Niektóre zaopatrzone w układ jezdny mog realizowa zadania specjalne, wyr czaj c lub zast puj c człowieka.

Rys.42

ISTOTA MECHATRONIKI

25

4.1.Współczesne roboty przemysłowe Robot spawalniczy – realizuje proces spawania zadanych elementów.

- realizuje proces ci cia wg. zaprogramowanej trasy

Rys.43 Robot transportowy – wyszukuje i dostarcza elementy na stanowiska linii wg zadanego programu

Rys.44 Robot do napawania plazmowego – realizuje proces napawania elementów regenerowanych wg zadanego programu Rys.45 Robot pomiarowy – realizuje i rejestruje pomiary zadanych elementów.

- sygnalizuje niezgodno ci z zało on warto ci - archiwizuje wyniki pomiarów Rys.46

ISTOTA MECHATRONIKI

26

4.2.Realizacja ruchów mechanizmów robotów Celem robotów jest zrealizowanie sterowanego ruchu w celu wykonania zaprogramowanej czynno ci.

Zakres czynno ci obejmuje chwytanie i przemieszczanie przedmiotów i półfabrykatów produkcyjnych. Ruch robotów mo emy, wi c podzieli na: - ruch chwytaka - ruch roboczy mechanizmu Ruch chwytaka zazwyczaj na laduje przegub r ki, umo liwiaj c funkcj chwytania z regulowana sił oraz obrót wokół 3 osi, cz ci chwytaj cej.

Ruch roboczy mo e by realizowany w trzech podstawowych układach: - w układzie współrz dno ciowym (ruchy wzdłu trzech wzajemnie prostopadłych osi x,y,z) - w układzie biegunowym (zmianie ulega poło enie promienia wodz cego, pomi dzy chwytakiem i punktem obrotu podstawy robota) - w układzie sferycznym (ruch chwytaka po promieniu sfery)

Ruch roboczy w układzie współrz dno ciowym

Rys.47

Ruch roboczy w układzie sferycznym

Rys.48

ISTOTA MECHATRONIKI

27

Ruch roboczy w układzie biegunowym

Rys.49

Ruchy i konstrukcja chwytaka Układ osi chwytaka umo liwia precyzyjny ruch i chwyt przedmiotu.

Zamiast szcz k mo na mocowa ko cówk robocz (palnik, wkr tak, uchwyt podci nieniowy)

Rys.50

Roboty mobilne Jest to szczególna grupa robotów realizuj ca sterowane przemieszczanie.

Realizowany mo e by zarówno ruch tocz cy jak te krocz cy.

Rys.51 Robot samojezdny

Rys.52 Robot krocz cy

ISTOTA MECHATRONIKI

28

4.3.Linia produkcyjna Poj cie linii produkcyjnej pojawiło si w wyniku ewolucji metod produkcji i monta u wyrobów u ytkowych. Konieczno obni enia kosztów wi zała si z niezb dnym wzrostem produkcji. Nowa metoda produkcji dotyczyła zmechanizowania procesów wytwarzania i monta u. Tak jak wspomniałem na wst pie nowa metoda opierała si na efektywniejszym wykorzystaniu pracowników, poprzez zmian organizacji pracy. Pojawiło si poj cie linii technologicznej, produkcji potokowej, transportu wewn trznego, automatyzacji maszyn wytwórczych. W miar dalszego rozwoju miejsce pracowników zacz ły zajmowa wyspecjalizowane maszyny oraz roboty przemysłowe. Równie transport wyrobów montowanych na linii produkcyjnej uległ zmechanizowaniu i zautomatyzowaniu. Znaczne skomplikowanie automatycznych linii produkcyjnych wymaga stosowania znacznej ilo ci czujników parametrów ruchu i poprawno ci wykonywanych operacji. Du a ilo informacji oraz konieczno szybkiej interwencji wymaga zastosowania centrów przetwarzania danych oraz programów steruj cych procesem. Jak widzimy współczesna linia produkcyjna staje si systemem mechatronicznym o znacznym stopniu komplikacji.

W jej skład wchodz mi dzy innymi: - układ mechaniczny transportu mi dzy operacyjnego - układ pneumatyczny i hydrauliczny realizacji i korekty ruchów - układ czujników parametrów ruchu - układ czujników parametrów procesów wytwarzania - układ czujników analizy pomiarowej (kontroli produkcji) - układ poł cze elektrycznych - układ zasilania elektrycznego - układ wytwarzania mediów roboczych - układ zbierania i przetwarzania danych - układ steruj cy Tak rozbudowany system wymaga bie cej kontroli i prac zabezpieczaj cych jego bezawaryjne działanie.

W dalszym ci gu niezb dny jest czynnik ludzki, jednak od pracowników wymaga si bardzo wysokich kwalifikacji i umiej tno ci zawodowych.

Rys.53

ISTOTA MECHATRONIKI

29

magazyn

Model produkcji gniazdowej

P1

P2

P3

P4

Gniazdo monta u

Gniazda obróbki mechanicznej

P5

Gniazdo monta u

Rys.54

KT

Kontrola Przedstawiony powy ej schemat dotyczy produkcji małoseryjnej. jako ci Zarówno obróbka mechaniczna jak te monta odbywaj si w gniazdach zwi zanych z charakterem wykonywanych operacji (wyrób w druje pomi dzy gniazdami). Zwi kszenie produkcji jest mo liwe poprzez dublowanie tych samych gniazd. Problemem jest prawidłowe rozwi zanie transportu mi dzy gniazdowego oraz wewn trz zakładowego (nierytmiczno , ilo tras, opakowania technologiczne)

magazyn

Model produkcji potokowej

P1

P2

P3

KT Linia monta owa

Roboty przemysłowe

P4

P5

Stanowiska obróbki mechanicznej

KT KT

ISTOTA MECHATRONIKI

30 Rys.55 Przy produkcji potokowej pojawia si linia monta owa. Stanowi ona centraln o transportow produkcji. Wokół linii monta owej rozmieszczone s zarówno stanowiska obróbki mechanicznej jak te stanowiska monta u i operacji kontroli mi dzyoperacyjnej.

Rys.56

Zamiast opakowa wykonywane elementy przenoszone s bezpo rednio, pomi dzy stanowiskami urz dzeniami mechanicznego transportu linii monta owej lub na lini monta ow (robotami). Roboty przemysłowe znajduj zastosowanie nie tylko jako element transportu, ale równie jako elementy bezpo rednio wykonawcze : - automaty zgrzewaj ce - automaty spawalnicze - automaty malarskie - automaty monta owe - automaty pomiarowe (kontroli mi dzyoperacyjnej) Jak wida takie rozwi zanie umo liwia maksymalne wykorzystanie czasu na produkcj (operacje wykonywane sa równolegle), a wi c pozwala na jej znaczn intensyfikacj (produkcja wielko seryjna)

ISTOTA MECHATRONIKI

Pytania: 1.Jakie cechy charakteryzuj konstrukcj mechatroniczn ?

2.Podaj definicj poj cia mechatronika.

3. Gdzie stosowane s konstrukcje mechatroniczne- podaj przykłady?

4.Na czym polega podobie stwo systemów mechatronicznych do organizmów biologicznych?

5.Jak wyja ni poj cie budowy modułowej?

6.Dlaczego w konstrukcji urz dze mechatronicznych stosowana jest budowa modułowa?

7.Z jakich podstawowych elementów składa si system mechatroniczny?

8.Co oznaczaj poj cia: system i proces?

9. Jakie wielko ci mierz czujniki(sensory)?

10.Wymieni podstawowe typy urz dze wykonawczych (aktorów)?

11.Jak dzielimy czujniki ze wzgl du na sposób przetwarzania informacji?

12.W jakie czujniki musi by wyposa ona pralka automatyczna?

13.Jak działa ABS? 14.Co nazywamy robotyk ?

15.Jaka jest dziedzina zastosowa robotów?

16.Jak mo emy realizowa ruchy robocze mechanizmów wykonawczych robotów?

17.Jakie ruchy wykonuje chwytak robota?

18.Omówi model produkcji gniazdowej – kiedy jest stosowany?

19.Omówi model produkcji potokowej – kiedy jest stosowany?

20.Wymieni rodzaje robotów na linii monta owej 21.Jakie elementy systemu mechatronicznego stosowane s w liniach monta owych?

31